許明財(cái) 蔡 昆 汪 衡 潘 晉

(華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院1) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司2) 武漢 430040)(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院3) 武漢 430063)

橋墩防船撞Y形夾層結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

許明財(cái)1,2)蔡 昆1)汪 衡1)潘 晉3)

(華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院1)武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司2)武漢 430040)(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院3)武漢 430063)

針對(duì)傳統(tǒng)鋼套箱吸能效果不明顯的問題，設(shè)計(jì)了一種Y形夾層結(jié)構(gòu)橋梁防船撞設(shè)施.建立防撞設(shè)施和船舶有限元模型，并對(duì)船舶撞擊防撞設(shè)撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬.基于數(shù)值仿真分析結(jié)果，通過對(duì)比傳統(tǒng)鋼套箱和新型夾層結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施的耐撞性、結(jié)構(gòu)損傷、撞擊力折減.結(jié)果表明,新型夾層結(jié)構(gòu)具有更好的耐撞性，撞擊力對(duì)撞擊位置不敏感，具有良好的防撞效果.

船舶；橋梁；碰撞；耐撞性；夾層結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料

0 引 言

當(dāng)船舶直接撞擊橋墩時(shí)，由于橋墩的剛度較大，不能有效地吸收船舶的動(dòng)能[1].文獻(xiàn)[2]要求通航水域中的橋墩的撞擊力宜按專題研究確定.應(yīng)比較增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身抗撞能力和采用附加防撞設(shè)施兩種方案，宜采用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身抗撞能力的方案，方案不可行時(shí)可考慮增加防撞設(shè)施.橋梁防撞設(shè)施的作用就是保護(hù)橋梁，減小船舶撞擊力，吸收船舶的動(dòng)能.

國內(nèi)外的專家學(xué)者也做過大量研究，各防撞設(shè)施的材料和結(jié)構(gòu)形式對(duì)耐撞性及撞擊力有很大影響.為了研究鋼夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性，Klanac等[3]對(duì)10種不同的夾層進(jìn)行了分析.結(jié)果表明Y形鋼夾層結(jié)構(gòu)具有良好耐撞性能和吸能潛力.此外，Wevers等[4-5]對(duì)鋼夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞試驗(yàn).潘晉等[6]采用有限元方法模擬了廣東崖門大橋的橋墩鋼套箱防撞裝置與船舶之間碰撞，分析了防撞裝置的影響因素.Peng等[7]對(duì)具有樁墩支撐的防撞鋼套箱進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，提出增加橡膠層能明顯降低碰撞力峰值.

但傳統(tǒng)的鋼套箱防撞設(shè)施的耐撞性和撞擊力對(duì)撞擊點(diǎn)很敏感，其吸能效果很不穩(wěn)定[8].因此，文中設(shè)計(jì)了一種新型的Y形夾層結(jié)構(gòu)防撞設(shè)施，通過數(shù)值模擬對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析.結(jié)果表明，Y形夾層結(jié)構(gòu)可以較好的分散船撞力，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)自身的耐撞性.

1 分析模型

1.1 船舶主尺度

文中以10 000 t散貨船為例，其總長134.42 m、水線長129.0 m、垂線間長126.0 m、型寬19 m、型深9 m，吃水6.75 m，設(shè)計(jì)排水量為13 645 t，船首基本結(jié)構(gòu)圖見圖1.

圖1 船艏基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)尺寸

傳統(tǒng)的鋼防撞設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由多個(gè)艙壁組成(見圖2a))，吸能效果不理想.Xu等[9]對(duì)Y形夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明改結(jié)構(gòu)形式具有良好的耐撞性.為了提高防撞結(jié)構(gòu)的吸能效果，文中設(shè)計(jì)新型Y形夾層防撞設(shè)施，見圖2b).由于球鼻首產(chǎn)生的撞擊力很集中，為了使更多結(jié)構(gòu)參與吸能，在外表明增加了聚氨酯材料，見圖 2c).

圖2 防撞設(shè)施剖面圖

1.3 有限元模型

由于船舶撞擊橋梁是高度非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，因此，用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型很難描述清楚，文中采用有限元法研究結(jié)構(gòu)的耐撞性能.有限元模型包括防撞設(shè)施和船體兩部分，見圖3a).

對(duì)于船體模型，模型與實(shí)際幾何尺寸按照1∶1建立有限元模型，船舶采用梁?jiǎn)卧鍐卧皻卧M(jìn)行模擬.考慮到船首結(jié)構(gòu)形式對(duì)撞擊力影響較大，因此，船首結(jié)構(gòu)采用精細(xì)網(wǎng)格，其他部分采用粗略網(wǎng)格，而對(duì)船體的平行中段后面非碰撞區(qū)的船殼進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，從而達(dá)到減少計(jì)算時(shí)間的目的.船首單元最大尺寸為0.25 m，其余部分最大單元尺寸為0.5 m,整個(gè)船體的單元總數(shù)為78 452[10].船首中縱剖面有限元模型見圖3b).考慮到要使整船的重量達(dá)到設(shè)計(jì)吃水，對(duì)船體模型的質(zhì)量分布進(jìn)行合理配重，使整個(gè)模型的質(zhì)量、重心與實(shí)船設(shè)計(jì)吃水時(shí)的情況相當(dāng).防撞設(shè)施網(wǎng)格大小0.2 m，單元總數(shù)66 377個(gè)，其有限元模型，見圖3c).假設(shè)橋墩為剛性，網(wǎng)格大小為0.6 m.

圖3 有限元模型

1.4 材料模型

碰撞是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程[11]，材料的動(dòng)力特性對(duì)碰撞過程影響較大，因而，不能忽略[12].而對(duì)于船用低碳鋼，其塑性性能受應(yīng)變率的影響非常明顯，隨應(yīng)變率的增加，低碳鋼的屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限都會(huì)增加，所以需要在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響[13].考慮材料應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程有很多，文中采用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高的Cowper-Symonds本構(gòu)方程.

(1)

材料的失效判定非常復(fù)雜，文中采用最大塑性失效應(yīng)變來定義材料的失效.最大塑性失效的失效條件為：結(jié)構(gòu)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到定義的單元最大塑性失效應(yīng)變；一旦單元被判定失效，該單元將不再參與后續(xù)的計(jì)算.根據(jù)所建立模型的單元大小，材料的最大塑性失效應(yīng)變?nèi)?.34.鋼材料參數(shù)取值如下：密度為7 860 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，屈服應(yīng)力為310 MPa，剪切模量為763 MPa，硬化參數(shù)為0.聚氨酯材料采用實(shí)體單元，其密度為1 150 kg/m3，剪切模量為1 040 MPa.

1.5 載荷和邊界條件

由于船舶碰撞運(yùn)動(dòng)主要是縱蕩，不考慮水的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，采用附連水質(zhì)量系數(shù)0.07來計(jì)入周圍流體的作用[14].不約束船體的轉(zhuǎn)動(dòng)與平動(dòng)自由度，并施加初始速度.橋墩考慮為剛體，忽略橋墩和基礎(chǔ)的變形.考慮船舶撞擊正撞橋墩、以及正撞防撞設(shè)施正面和側(cè)邊的工況.

2 結(jié)果分析

Pan等[15]通過自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)數(shù)據(jù)對(duì)長江武漢流域的船舶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得的水流速度和平均船速分別取1.72 和3.44 m/s.下面分析三種防撞設(shè)施的減小碰撞力的效果.計(jì)算結(jié)果見表1.

對(duì)于傳統(tǒng)單層防撞設(shè)施(A)，當(dāng)撞擊點(diǎn)在正中間和側(cè)邊時(shí)，橋墩受到的撞擊力相差比較大.當(dāng)船速為1.72 m/s時(shí)，撞擊點(diǎn)在側(cè)面的撞擊力是正面的2.9倍，當(dāng)船速為3.44 m/s時(shí)，撞擊力在側(cè)面的撞擊力是正面的4.2倍.由圖4可知，剛開始時(shí)單層艙壁的防撞設(shè)施的碰撞力很小，然后急劇上升.主要原因船舶撞穿傳統(tǒng)單層艙壁防撞設(shè)施，然后與橋墩直接接觸，單層艙壁防撞設(shè)施不能有效地保護(hù)橋梁.

表1 計(jì)算工況及結(jié)果

注：R-撞擊剛性橋墩;A,B,C-撞擊對(duì)象為三種防撞設(shè)施；撞擊位置，1-正中間，2-側(cè)邊；V-撞擊速度；Fmax,Fmean-橋墩受到的最大和平均碰撞力；δ-撞深；V1=1.72 m/s,V2=3.44 m/s.

圖4 時(shí)間-碰撞力曲線

對(duì)于側(cè)邊最大撞擊力達(dá)到了60.3 MN，僅比船舶直接撞擊橋墩力減少了8%.而在實(shí)際中，船舶有可能撞擊防撞設(shè)施的任何位置，單層艙壁防撞設(shè)施減小碰撞力效果不明顯，對(duì)撞擊點(diǎn)很敏感.而船舶撞擊在Y形夾層結(jié)構(gòu)的正中和側(cè)邊的撞擊力差別不大，即碰撞點(diǎn)的位置對(duì)最后碰撞力的影響不大.此外，Y形防撞設(shè)施使用鋼材傳統(tǒng)防撞設(shè)施多使用17.15%的鋼材，但撞擊力卻多減少了40.2% .

圖5～6為最大撞深時(shí)的應(yīng)力云圖.當(dāng)船速較高時(shí)，傳統(tǒng)單層艙壁防撞設(shè)施在經(jīng)受船舶撞擊后，結(jié)構(gòu)破壞非常嚴(yán)重，單層艙壁幾乎被撞成兩半，基本報(bào)廢，需要重新更換防撞設(shè)施.Y形防撞設(shè)施也產(chǎn)生了破壞，只有前端較大形變.而且應(yīng)力分布均勻，說明有更多的結(jié)構(gòu)參與吸能.內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)保持較好的完整性，可以降低后期的維護(hù)成本.

圖5 防撞設(shè)施應(yīng)力云圖(撞擊中間，V=3.44 m/s)

圖6 防撞設(shè)施應(yīng)力云圖(撞擊側(cè)邊，V=3.44 m/s)

圖7為不同船速下兩種Y形防撞設(shè)施(B，C)的撞深-碰撞力曲線.當(dāng)撞深較小時(shí)，加設(shè)聚氨酯層會(huì)增大，但撞擊力能夠滿足橋梁抗撞要求.因?yàn)榫郯滨邮菇Y(jié)構(gòu)整體變形，提高整體的耐撞性，同時(shí)分?jǐn)偢嗟呐鲎擦?，因此，能更有效的減小船舶速度，減小防撞設(shè)施自身損傷.

圖7 撞深-碰撞力曲線(Y形夾層)

但當(dāng)撞深較深時(shí)，沒有加設(shè)聚氨酯層的Y形防撞設(shè)施的碰撞力會(huì)突然急速上升，因?yàn)橹胺雷苍O(shè)施吸收的船舶動(dòng)能較少，Y形防撞設(shè)施碰撞后船仍有0.12 m/s的速度,見圖8.而改進(jìn)Y形防撞設(shè)施船速出現(xiàn)負(fù)值，說明船舶發(fā)生反彈.

圖8 船速變化曲線

3 結(jié) 論

1) 單層艙壁防撞設(shè)施防撞效果對(duì)船舶撞擊點(diǎn)較敏感，撞擊點(diǎn)位置不同，防撞效果差別巨大.

2) 與單層艙壁防撞設(shè)施相比，Y形防撞設(shè)施具有更好的耐撞性，吸能效果對(duì)撞擊點(diǎn)不敏感.

3) 加設(shè)阻尼塊和聚氨酯層能更有效率地吸收船舶動(dòng)能，提高整體的吸能效果.同時(shí)很好的減小防撞設(shè)施表面破壞，降低后期的維護(hù)成本.

[1] 夏飛.橋梁防撞系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國水運(yùn),2008,6(1):68-69.

[2] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范:JTG D60-2015[S].北京:人民交通出版社，2015.

[3] KLANAC A, EHLERS S, TABRI K, et al. Qualitative design assessment of crashworthy structures[J].Maritime Transportation and Exploitation of Ocean Coastal Resources,2005(1):26-30.

[4] WEVERS L J, VREDEVELDT A W. Full scale ship collision experiments: TNO-report 98-CMC-R0359[R].Delft: TNO,1998.

[5] XU M C, Zhang B W, Wang J, et al. Experimental analysis on the response of Y shape stiffened panels under lateral impact load[C]. 27th International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

[6] 潘晉，吳衛(wèi)國，王德禹，等.船-橋墩防護(hù)裝置碰撞中的影響因素研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2005,29(4):538-541.

[7] PENG S, WU W G, PAN J, et al. Non-linear finite element drop collision simulation of the anti-collision device hitting a bridge pile cap[C]. Proceedings of the ASME 2010 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering,2010.

[8] 潘晉,吳亞鋒,許明財(cái).基于失效概率的橋梁防船撞裝置安全性評(píng)估[J].公路,2015(4):93-98.

[9] XU M C, ZHANG B W, WANG J, et al. Experimental analysis on the response of Y shape stiffened panels under lateral impact load[C].The Twenty-seventh International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

[10] 王向前,楊校剛,張曉君.不同有限元網(wǎng)格數(shù)對(duì)船體數(shù)值模擬的影響[C].全國船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議,鎮(zhèn)江,2009.

[11] 王自力,顧永寧.船舶碰撞動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值仿真研究[J].爆炸與沖擊,2001,21(1):29-34

[12] 歐碧峰,王君杰.帶防撞設(shè)施的船橋碰撞數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,15(1):75-77.

[13] 朱厚勤,鄭際嘉.船舶碰撞的剛塑性動(dòng)力分析[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào),1993，17(2):204-209.

[14] 金占禮,王宗利.結(jié)構(gòu)在無限流體域中振動(dòng)時(shí)附連水質(zhì)量的數(shù)值計(jì)算方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(8):1078-1082.

[15] PAN J, WANG Y, HUANG S W, et al. Statistical investigation of the influential parameters for probability analysis of ship-bridge collision based on AIS data[C]. The Twenty-seventh International Offshore and Polar Engineering Conference,2017.

Study on Crashworthiness of Y-shape Sandwich Structure for Protecting Bridge Piers Against Vessel Collision

XUMingcai1,2)CAIKun1)WANGHeng1)PANJin3)

(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)1)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd.,Wuhan430040,China)2)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)3)

Since the traditional steel boxed cofferdams for the protection of bridge pier have the disadvantage of absorbing energy, a new Y-shape sandwich structure is designed. First, the FE models of Y-shape sandwich structure and vessel are modeled to simulate the process of collision between the protective structure and vessel. According to the numerical results, the crashworthiness, damage and reduction of impact force acting on the bridge pier are compared between the traditional steel boxed cofferdams and new Y-shape sandwich protective structures. The results show that the designed Y-shape sandwich structure can provide better crashworthiness and has less sensitive to the impact position.

vessel; bridge; collision; crashworthiness; sandwich; composite

U443.26

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.004

2017-10-03

許明財(cái)(1978—)：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)與力學(xué)

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(5167090447，51609192)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015MS103,2017IVB007)資助